高匯聚太陽(yáng)能流下甲烷水蒸氣重整制氫的瞬態(tài)特性的研究

【摘要】：面對(duì)傳統(tǒng)能源供給短缺、不可再生和容易造成環(huán)境污染等弊病,世界各國(guó)致力于發(fā)展持續(xù)、高效、可再生的各類(lèi)新能源,來(lái)解決傳統(tǒng)能源開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)的問(wèn)題。太陽(yáng)能熱化學(xué)利用以其新穎、高效等特點(diǎn)成為新能源研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化裝置由于有效氣體產(chǎn)量低、費(fèi)用高等缺點(diǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)推廣,而多孔介質(zhì)太陽(yáng)能反應(yīng)器具有質(zhì)量輕、體表面積大等優(yōu)點(diǎn),使得其轉(zhuǎn)化效率較高,以其為載體的太陽(yáng)能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化裝置成為近年來(lái)研究的重點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行研究不僅具有重要的理論價(jià)值,更具有廣泛的工程應(yīng)用前景。因此,本文對(duì)高匯聚太陽(yáng)能流下多孔介質(zhì)反應(yīng)器內(nèi)甲烷水蒸氣重整制氫的熱化學(xué)反應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)特性開(kāi)展了數(shù)值研究。本文以表面涂有催化涂層的多孔介質(zhì)熱化學(xué)反應(yīng)器為研究對(duì)象,基于多孔介質(zhì)流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)模型,將熱化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與“局部非平衡假設(shè)”相耦合,建立了高匯聚太陽(yáng)能流下甲烷水蒸氣重整制取氫氣的熱化學(xué)瞬態(tài)反應(yīng)模型。首先,在無(wú)熱化學(xué)反應(yīng)的條件下,分析多孔介質(zhì)反應(yīng)器內(nèi)混合流體流動(dòng)及傳熱過(guò)程,重點(diǎn)研究各類(lèi)關(guān)鍵因素對(duì)溫度場(chǎng)瞬態(tài)響應(yīng)特性的影響,為后續(xù)甲烷水蒸氣重整制取氫氣的熱化學(xué)反應(yīng)研究提供一定依據(jù)。然后,分別采用蒙特卡羅熱流和高斯熱流作為邊界熱源,選取典型工況,對(duì)多孔介質(zhì)反應(yīng)器熱化學(xué)反應(yīng)的溫度場(chǎng)及產(chǎn)物場(chǎng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行模擬研究。最后,針對(duì)邊界條件、多孔介質(zhì)物性和邊界輻射熱損失,著重研究其在瞬態(tài)熱化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中對(duì)制氫效率的影響。研究結(jié)果表明,多孔介質(zhì)反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)穩(wěn)態(tài)溫度和出口流體溫度均隨入口混合流體中甲烷相對(duì)含量的增加而升高,如甲烷含量升高50%,出口流體溫度升高約40K;在孔隙率0.66-0.93范圍內(nèi),出口流體溫度隨孔隙率減小而升高,氫氣相對(duì)產(chǎn)量升高,如孔隙率由0.9降低為0.7時(shí),出口流體溫度升高約60K,氫氣相對(duì)產(chǎn)量升高約8%;出口面氫氣產(chǎn)量隨固體骨架導(dǎo)熱系數(shù)的升高而增大,如導(dǎo)熱系數(shù)增加20%,氫氣產(chǎn)量增加約10%;混合流體入口流速降低,出口面氫氣相對(duì)產(chǎn)量升高,如入口流速減小0.025m/s,氫氣相對(duì)產(chǎn)量增大約6%;在不考慮邊界輻射熱損失的條件下,出口面氫氣產(chǎn)量較高,但實(shí)際工作環(huán)境下,由于入口壁面溫度較高,輻射熱損失對(duì)瞬態(tài)溫度場(chǎng)和產(chǎn)物場(chǎng)的影響較大,應(yīng)在考慮輻射熱損失的前提下,設(shè)法降低其影響。 【關(guān)鍵詞】：太陽(yáng)能 多孔介質(zhì) 熱化學(xué) 甲烷重整 瞬態(tài) 制氫
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TQ116.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-17
• 1.1 背景及意義9-10
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-15
• 1.2.1 多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)特性研究現(xiàn)狀10-11
• 1.2.2 多孔介質(zhì)太陽(yáng)能吸熱器研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.3 太陽(yáng)能熱化學(xué)制氫研究現(xiàn)狀13-15
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容15-17
• 第2章 太陽(yáng)能熱化學(xué)多孔介質(zhì)反應(yīng)器傳熱模擬17-27
• 2.1 引言17
• 2.2 多孔介質(zhì)中流動(dòng)、傳熱及熱輻射傳遞17-23
• 2.2.1 混合流體在孔隙中的流動(dòng)壓降17-19
• 2.2.2 熱化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的傳熱特性19-20
• 2.2.3 多孔介質(zhì)固體骨架間熱輻射傳遞20-23
• 2.3 多孔介質(zhì)內(nèi)傳熱過(guò)程模擬23-26
• 2.3.1 多孔介質(zhì)內(nèi)傳熱模型與邊界熱流分布校驗(yàn)23-25
• 2.3.2 太陽(yáng)能熱化學(xué)反應(yīng)計(jì)算模型驗(yàn)證25-26
• 2.4 小結(jié)26-27
• 第3章 多孔介質(zhì)反應(yīng)器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)特性27-42
• 3.1 引言27
• 3.2 熱化學(xué)反應(yīng)過(guò)程傳熱模型27-30
• 3.2.1 對(duì)流換熱模型27-30
• 3.2.2 輻射換熱模型30
• 3.3 典型工況下多孔介質(zhì)瞬態(tài)溫度響應(yīng)特性30-35
• 3.3.1 邊界條件30-31
• 3.3.2 溫度場(chǎng)瞬態(tài)分布31-35
• 3.4 關(guān)鍵因素對(duì)瞬態(tài)溫度場(chǎng)影響特性35-40
• 3.4.1 邊界條件對(duì)瞬態(tài)溫度場(chǎng)的影響特性35-38
• 3.4.2 多孔介質(zhì)物性對(duì)瞬態(tài)溫度場(chǎng)的影響特性38-40
• 3.5 小結(jié)40-42
• 第4章 甲烷重整制氫過(guò)程的瞬態(tài)響應(yīng)特性42-60
• 4.1 引言42
• 4.2 甲烷重整制氫過(guò)程熱化學(xué)反應(yīng)和工況42-48
• 4.2.1 甲烷重整制氫熱化學(xué)反應(yīng)42-43
• 4.2.2 混合流體在熱化學(xué)反應(yīng)中的物性43-46
• 4.2.3 受熱邊壁表面熱流擬合46-48
• 4.3 甲烷重整制氫反應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)特性48-58
• 4.3.1 溫度場(chǎng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性48-52
• 4.3.2 熱化學(xué)反應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性52-58
• 4.4 小結(jié)58-60
• 第5章 熱化學(xué)反應(yīng)過(guò)程關(guān)鍵因素對(duì)制氫效率的影響60-75
• 5.1 引言60
• 5.2 邊界條件和多孔介質(zhì)物性對(duì)制氫效率的影響60-67
• 5.2.1 邊界條件對(duì)制氫效率的影響60-65
• 5.2.2 多孔介質(zhì)物性對(duì)制氫效率的影響65-67
• 5.3 邊界輻射熱損失的影響67-73
• 5.3.1 輻射熱損失對(duì)瞬態(tài)溫度場(chǎng)影響68-69
• 5.3.2 輻射熱損失對(duì)瞬態(tài)產(chǎn)物場(chǎng)影響69-71
• 5.3.3 輻射熱損失對(duì)溫度和產(chǎn)物分布趨勢(shì)影響71-73
• 5.4 小結(jié)73-75
• 結(jié)論75-77
• 參考文獻(xiàn)77-82
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文82-84
• 致謝84

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